浅谈碳纤维复合材料的无损检测

陈桂新

深圳市龙岗区工程质量监督检验站

摘要：碳纤维复合材料在建筑、交通运输、宇航工业等方面得到广泛的应用。为保证复合材料的安全应用，复合材料的检测研究受到人们的广泛重视。本文主要探讨碳纤维复合材料的无损检测技术。

关键词：碳纤维复合材料；无损检测

1 碳纤维复合材料无损检测现状

1.1红外热波检测方法

红外热波无损检测的基本原理是对检测材料进行主动加热，利用被检测材料内部热学性质差异以及热传导的不连续性使物体表面温度产生差异，进而在物体表面的局部区域形成温度梯度。温度不同时红外辐射能力也随着发生变化，借助红外热像仪对被测试件进行探测，根据红外热像仪探测的辐射分布来推断被测试件的内部缺陷。

李艳红等[1]用红外热波无损检测技术对碳纤维层压板的圆形缺陷进行了检测研究。试验结果显示，该技术能以直观易懂的图像形式展现出被检材料内部的缺陷情况。原始图像和一阶微分图像能较清楚地显现出轮廓及温度变化过程，还可以做缺陷尺寸标定及深度测量。但由于热图对材料非均匀性的敏感，也可能会对某些试件缺陷造成误判。通过利用红外热波检测方法对碳纤维层压板冲击损伤研究。结果表明，红外波检测方法可以清晰地表征碳纤维层压板的纤维走向，还可以确定冲击损伤在试件内部随深度的变化过程。李晓霞等[2]对低速冲压后的碳纤维复合材料进行了红外热波检测分析，研究了损伤面积和冲击能量之间的关系。结果表明，红外热波不仅对冲击损伤的大小具有检测能力，还可以对损伤材料内部冲击点处的扩展损伤模式进行有效的检测。霍雁等[3]利用脉冲红外热成像技术，对碳纤维复合材料试样内部的模拟脱粘缺陷深度进行测量研究。利用该方法测量脱粘缺陷深度的精度由单点法标定测量结果，实现了在被检测材料热属性参数未知的情况下能较准确地测量脱粘缺陷深度。金国锋等[4]为了实现对复合材料内部界面贴合性缺陷的快速检测和识别，采用超声红外热波方法进行检测研究。结果表明，超声热波方法适于复合材料裂纹、分层、冲击损伤等界面贴合型缺陷的快速检测和识别，而对脱粘等非界面贴合型缺陷检测无效果。

综上，红外热波检测技术可以对碳纤维复合材的裂纹、分层等内部缺陷进行无损检测，但是根据红外热波检测的原理可知，检测过程要经过加热、热传导、形成温度梯度，进而产生辐射等多个步骤，因此，在检测过程中需要一定的时间，不能进行快速的扫描检测。

1.2渗透和层析检测方法

采用渗透和层析检测碳纤维复合材料缺陷，是利用各组分物理性質的不同，将多组分混合物进行分离及测定的方法。

通过在研究碳纤维复合材料缺陷产生机理的基础上，利用氯化金渗透液优良的渗透性能，对碳纤维复合材料钻孔分层进行渗透检测研究，并总结出钻孔立体分层模型。许羽等[5]在电磁层析成像系统中，对带缺陷的碳纤维复合材料进行图像重建仿真。结果表明，采用精确重建算法的电磁层析无损检测技术，可以探测碳纤维复合材料中的缺陷。

渗透检测方法可以检测碳纤维复合材料由于钻孔产生的分层缺陷。但是，渗透检测方法是一种表面无损检测方法，只适用于检测表面开口的缺陷，无法对内部缺陷进行有效检测。

1.3声发射检测方法

声发射检测是通过接收和分析材料的声发射信号，评定材料性能和结构完整性的一种无损检测方法。材料中因裂缝扩展、塑性变形或相变等引起的应变快速释放而产生的应力波现象称为声发射。

王兵等[6]利用声发射技术对典型的碳/环氧碳纤维复合材料的I/II混合模式分层行为和层间断裂韧性进行实验研究。结果表明，碳纤维铺层在损伤与断裂不同阶段所释放的声发射信号特征不同，声学检测能有效地监测其剪切、混合分层和张力分层过程。声发射检测能有效判断碳纤维复合材料的内部活动过程，判定损伤类型，在碳纤维复合材料结构与完整性评价中有良好的应用价值。通过对碳纤维复合芯损伤进行了声发射信号研究。结果表明，不同应力损伤与声发射信号功率谱频率之间有一定的对应关系，而树脂基体断裂和碳纤维断裂两种不同缺陷的声发射信号有明显的区别。

声发射检测技术可以有效地检测出碳纤维复合材料的内部缺陷及损伤类型。但是，对声发射法来说，缺陷所处的位置和方向并不影响声发射的检测效果，即用声发射检测技术无法检测出缺陷的位置。

1.4微波无损检测方法

微波检测技术是以微波物理学、电子学和微波测量为基础的微波技术应用。以微波作为信息载体，对各种材料构件和自然现象进行检测和诊断，对物体性能和工艺参数等非电量进行非接触、非污染的快速测量和监控，是一门新兴的综合性技术科学。微波检测的原理是研究微波与物质之间的相互作用，通过微波的物理特性（如反射、散射、衍射、透射及多普勒效应等）及被检测材料的电磁特性（如介电常数和损耗的相对变化）来测量微波基本参数的变化，以实现对被测材料的性能、缺陷等非电量的检测。

根据微波检测的原理不同，微波检测可以分为微波穿透法、微波散射法和微波反射法等。微波穿透检测方法是利用微波信号在被测材料中单程传播后，微波信号的变化来表征被测材料内部的特性，其检测原理如图1所示。

图1微波穿透法工作原理图

微波散射检测方法是利用介质杆窄波束探头作为传感器发射微波，再用检波器接收信号，确定试样散射特性，以判断材料的内部缺陷。根据被测试样周围的检波器得到的散射数据，通过逆问题求解，重建被测试样的复介电常数分布的图像（强度分布），从而推断出被测试样的某些重要性质，其检测原理如图2所示。

图2微波散射法工作原理图

微波反射检测方法是利用微波信号在被测材料中双程传播后，微波信号的变化来表征被测材料的内部特性。微波的反射信号不仅携带了被测材料内部的性能特性，还携带了各界面间的结合性能特性，以及金属基体表面的健康状况等特性，分为远场检测和近场检测。用远场反射系数法检测水泥中钢筋位置，利用远场检测实现了对水泥中钢筋的成像，为使反射信号不受外界因素的影响，在被测试样的后面加了一层吸波材料；用同轴探头检测IC封装脱粘，采用的是微波近场检测方法，利用带法兰的同轴探头对脱粘现象进行微波无损检测。

王晓红等[7]对碳纤维复合材料的反射特性进行了研究，研究各种铺层方向的碳纤维复合材料的微波反射特性，结果表明，单向纤维铺层的碳纤维复合材料的反射率与纤维方向及层板厚度有关；交叉铺层的反射率较大，但比金属的反射率小。利用终端开口矩形波导对碳纤维复合材料与砂浆基体间的脱粘进行了近场微波无损检测。研究表明，在10 GHz和24 GHz时利用微波检测技术可以检测的脱粘最小尺寸为2 cm和0.5。利用双极化近场微波反射计检测了碳纤维复合材料与水泥混凝土间的脱粘，该方法可以消除提离距离对检测结果的影响。利用近场微波成像技术对碳加载复合材料内部的空隙进行检测研究。结果显示，不同位置处的能量分布与理论结果相同，由于矩形波导和圆形波导极化方向的不同，在检测空隙时圆形波导更具有优势。通过利用太赫兹成像技术对多种复合材料的内部缺陷进行检测。结果表明，信号的反射脉冲可以表征钢板与陶瓷层间的脱粘缺陷；太赫兹成像技术可以表征玻璃纤维复合材料内部的缺陷和玻璃纤维的方向、分布等；微波信号可以表征碳纤维复合材料表面粗糙度和纤维的方向。

2 研究展望

由于碳纤维复合材料的制备工艺复杂，工作环境恶劣，在其应用领域起着至关重要的作用，因此，急需一种合适的无损检测技术对碳纤维复合材料的质量和健康状况进行评价。现有的检测方法都可以达到无损检测的要求，并且可以对碳纤维复合材料内部的缺陷达到检测的目的。但是，各种方法还存在着局限性，红外检测方法速度较慢；渗透检测只能检测表面有开口的缺陷；声发射检测不能确定内部缺陷的位置，微波檢测技术在碳纤维复合材料的检测研究相对不够深入。

利用微波技术对碳纤维复合材料进行无损检测已经成为无损检测领域的热点和难点之一，到目前为止，对碳纤维复合材料的检测主要是碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘检测。对碳纤维复合材料本身的特性检测还很不完善，还有很多问题有待深入研究。

1）只对碳纤维复合材料与其他材料之间的脱粘和分层做了检测研究，目前对碳纤维复合材料内部各层间脱粘和分层的微波检测尚需要进一步的研究。

2）根据能量分布对复合材料内部大的空隙进行了定位检测，但是对碳纤维复合材料整体的孔隙率进行微波无损检测的研究尚未见报导。

3）对碳纤维复合材料内部的夹杂和裂纹进行微波无损检测的研究较少，需要对其检测的基本理论进行研究。目前没有一种好的理论计算方法来指导微波检测过程，即理论模型的研究有待深入。

4）在检测过程中为了提高检测的灵敏度，需要对检测参数进行优化设计。

参考文献：

[1]李艳红，赵跃进，冯立春，等.碳纤维基体涂层质量的红外热波检测研究[J].中国激光，2009，36（6）：1489一1492.

[2]李晓霞，伍耐明，段玉霞，等.碳纤维层合板低速冲击后的红外热波检测分析[J].复合材料学报，2010，27（6）；88一93.

[3]霍雁，张村林.碳纤维复合材料内部缺陷深度的定量红外检测[J].物理学报，2012，61（14）；1一7.

[4]金国锋，张炜，杨正伟，等.界面贴合型缺陷的超声红外热波检测与识别[J].四川大学学报：工程科学版，2013，45（2）；167一175.

[5]许羽，刘泽，程轶平.电磁层析无损检测系统中碳纤维复合材料缺陷重建的仿真[J].无损检测，2008，30（6）；23一26.

[6]王兵，刘延雷，李伟忠，等.碳纤维复合材料弯曲损伤的声发射试验研究[J].中国石油和化工标准与质量，2013，6；30-31.

[7]王晓红，刘俊能.碳纤维复合材料的微波反射特性研究[J].功能材料，1999，30（4）；387一388，399.